论文总字数：20095字

摘 要

本文利用了火焰钎焊的方式，研究了不同银钎料钎焊3Cr13马氏体不锈钢与1.4116马氏体不锈钢时，各自的显微组织和力学性能的差异，研究的结果对于火焰钎焊在刀剪行业生产中的应用有所帮助。结果表明，火焰钎焊所获得的组织大致可以分为三部分，富铜相和围绕在其周围的富银相，以及由多种化合物组成的共晶相，不同钎料所形成的组织有所不同，主要是各个相的大小和数量有一些区别，但组织分布，组织形貌相差不大。抗拉强度的结果表明，在一定银含量范围内，接头的抗拉强度会随着钎料中银含量的增加而增加，这是由于钎料中银含量增加了会促使组织中含银的韧性组织增加，从而减缓了脆性相的影响。在所有的钎料中，BAg45CuZn表现出来的综合性能最为优良，抗拉强度达到400MPa以上，接头组织也比较均匀。

关键词：火焰钎焊；银钎料；接头组织；力学性能

Abstract

In this paper, the differences of micro structure and mechanical properties of 3Cr13 martensitic stainless steel and 1.4116 martensitic stainless steel with different silver filler are studied by means of flame brazing. The results are helpful for the application of flame brazing in the production of knife and shear industry. The results show that the organization of flame brazing can be roughly divided into three parts, the copper-rich phase and the silver-rich phase surrounding the copper-rich phase, and eutectic phase by a variety of compounds, formed by different solder organization is different, mainly the number and size of each phase is some difference, but not the organization distribution, tissue morphology. The results of tensile strength show that, within a certain range of silver content, the tensile strength of the joints will increase with the increase of silver content in the filler metal. This is because the increase of the silver elements in the filler metal will increase the ductile structure containing silver, thus slowing down the effect of brittle phase. Among all the solder metals, BAg45CuZn has the best comprehensive performance, with tensile strength of more than 400MPa and the joint structure is also uniform.

Keywords: flame brazing; Silver solder; Joint structure; Mechanical properties

目 录

第一章绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及分析 2

1.2.1 钎料对钎焊影响的研究 2

1.2.2 其他钎焊性能影响因素的研究 4

1.2.3 国内外研究总结 5

第二章实验材料与方法 6

2.1 实验内容 6

2.2 实验材料 6

2.3 实验方法与设备 7

2.3.1 实验试样的预处理 7

2.3.2 实验设备 8

2.3.3 实验步骤 8

第三章实验结果与分析 9

3.1 钎焊组织微观结构分析 9

3.1.1 BAg20CuZn 9

3.1.2 BAg25CuZn 10

3.1.3 BAg45CuZn 11

3.1.4 BAg52CuZnSn 12

3.1.5 钎料及接头组织分析 13

3.2 钎焊接头的力学性能 14

结论 17

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

马氏体不锈钢的性能相当优越，它具有很不错的强度和耐磨性，因此在刀剪的制造行业中的应用也是相当广泛的，3Cr13马氏体不锈钢和1.4116马氏体不锈钢这两种不锈钢，是刀剪行业比较常用的两种钢材。就目前的刀剪行业现状而言，我国国内刀剪行业处于一种蓬勃发展的状态，近年来无论是产品的质量还是数量，出口贸易额都有所增长，呈现出一幅欣欣向荣的景象。但是国内生产的产品依然是以中、低端为主，在高端产品方面的生产能力与国外相比还是有很大的差距。我国现阶段经济发展的情况是这样的，经济发展已经由高速发展转向了高质量发展的阶段，这是经济发展的一个大的趋势，也是产品生产发展应该注意、应该靠拢的大方向。因此无论是为了提高行业本身的实力、竞争力，还是为了契合经济发展的大势，都有必要提高我国的刀剪行业的生产能力，产品质量，以此来推动经济高质量发展。

钎焊是在低于焊件熔点的情况下，钎料和焊件一起加热到钎料的熔点附近，利用钎料液态流动填满焊件的间隙，钎料与母材之间形成良好的冶金结合的一种焊接方式。钎料的常见分类方式有两种，一是根据钎料的主要组分进行分类，可以分为锡基钎料，铜基钎料，银基钎料和镍基钎料等；二是依据钎料的熔点不同进行分类，可分为硬钎料和软钎料两种，其界定点是钎料熔点，熔点大于450℃的是硬钎料，小于450℃的是软钎料，使用对应钎料的钎焊方式也可分为两种，硬钎焊的软钎焊。在钎焊中常用的钎料有银钎料和铜钎料，银钎料是目前应用的最为广泛的硬钎料，它具有良好的工艺性能、适当的熔点、优秀的润湿和良好的填满间隙的能力，除此之外钎料及钎缝还有相当不错的强度、导电性以及耐腐蚀性。正因如此，银钎料在钎焊低碳钢，铜及铜合金，不锈钢时有着相当广泛的应用^[1]。钎焊这一技术具有应用广泛，操作方便，成本低，基体热变形小钎焊精度高等优点。但是也有接头强度相对较低以及耐热性较差等缺点，因此对于钎焊的研究主要在于提高接头强度，改善组织形态等。

在钎焊时将钎焊所用燃料混合氧气或者空气点燃后形成火焰，再利用火焰进行钎焊加热的焊接方式称为火焰钎焊。火焰钎焊的燃料广泛，主要是液体的气化产物、液态燃料以及可燃气体，比如酒精、石油、天然气和乙炔等，多数情况下还是使用的气体燃料^[2]。火焰钎焊有许多优点，它基本不会受到操作上的限制，因此它可以钎焊许多外形复杂的零件。在钎焊时，钎焊人员可以实时的观察到接头的变化，对于一切的不好的变化可以及时制止，还可以根据观察到的情况及时改变钎焊工艺。火焰钎焊的工艺设备价格相对来说比较低廉，对于工场来说，启动资金不大，同时还适于大批量的零件的生产。火焰钎焊的接头平整光滑，外形美观^[2]。火焰钎焊也存在一些缺点，因为它通常是在空气中钎焊，难免会遇到氧化腐蚀的问题，另外，火焰加热的温度无法测定与控制，这就对操作人员的操作熟练度的要求比较高，否则的话容易出现过烧从而影响接头性能。综合考虑上述火焰钎焊的优点和缺点，本次实验可以采用火焰钎焊来进行焊接工作并研究接头组织性能，因为钎焊的是不锈钢，氧化腐蚀这一人为难以控制的影响因素发挥的作用就极小了。

中国刀剪行业的发展，既需要产业尽快地升级又需要不断地夯实基础，在此过程中自然还要向欧洲、日本等刀剪行业发达国家借鉴经验^[3]。而刀剪业无论是产品结构还是材料结构的升级，都离不开技术的发展，本次课题通过研究钎焊这一应用较广的焊接技术在上述两种不锈钢连接时的组织性能及结构变化来探索焊接工艺参数以及接头性能之间的关系，以求改进刀剪行业的生产。

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 钎料对钎焊影响的研究

目前钎焊使用比较广的钎料主要分为四大类，铜基、锡基、铝基和银基钎料^[4]。铜基钎料常加入磷元素以提高提高钎料流动性，降低钎焊温度等，这样的铜磷钎料由于原料均不昂贵而价格低廉，用它进行钎焊成本不高，但铜磷钎料由于磷含量高，在接头处易生成脆性相Cu₃P而导致接头脆性增大，强度和韧性均有明显的下降。目前对铜钎料性能改善的研究主要从三个方面进行，一是加入杂质元素比如Ag、La、Ce等元素；二是改变物理因素，比如保温温度、时间和局部压力等；三是利用快速凝固的方式制备非晶体的铜磷钎料^[4]。Ag元素是铜磷钎料中经常添加的一种元素，它本身就具有相当优秀的性质，添加到铜磷钎料中后，对钎料的润湿性抗拉强度都有提高的作用，同时还降低了钎料的熔点。Ag元素不仅仅在铜磷钎料的添加物中得到广泛的应用，它作为添加物经常出现在其他的钎料中，往往都能获得良好的性能。稀土元素La、Ce在铜磷钎料中，一般是起到细化晶粒的作用，这会带来多方面的好处，晶粒的细化对钎焊的接头的强度和韧性的提高都有很不错的效果。改变物理因素，不仅对铜磷钎料有用，对于其他的钎料也同样有用。保温时间，温度往往影响的是钎料的组织均匀性，晶体大小等，通常来说，保温时间对钎料强度的影响是先增加后减小的。非晶体铜钎料的制备，是利用快速凝固的技术，制备出一种微观上短程有序，长程无序的钎料，这种钎料在X光下检测不出结晶的存在^[4]。由于冷却时间极短，过冷度非常的大，这种非晶钎料的晶核很细小，没有偏析和各向异性等性质，在钎焊时接头的强度明显高于常规的钎料。

锡基钎料早期使用较广是Sn-Pb钎料，因为它具有良好的工艺性能，但铅元素是重金属元素，对土壤对人体都会造成很大的危害。因此，近年来，有关锡钎料的研究基本都集中于无铅钎料的研究，以锡为基体，添加各种各样的元素，以此形成二元或者多元合金来代替含铅的锡钎料^[5]。添加的元素有很多，包括Bi、Ag、Cu、Zn等元素，这些元素会与锡基体形成合金，它们构成了无铅钎料的主体部分。在这些元素中，研究较多的是Sn-Bi，它在熔点方面可以替代Sn-Pb钎料，但是在锡钎料中加入了Bi后，钎料的晶粒组织容易变得比较粗大，这会导致接头脆性增大，极不利于形成良好的钎焊接头。而其他的合金不仅熔点高于Sn-Pb合金，难以起到替代Sn-Pb钎料的作用，还普遍存在一些缺点，比如抗氧化性差，抗蠕变性低，除此之外钎焊接头内部也比较容易出现脆性相，因此有学者^[6]尝试向无铅锡钎料中添加稀土元素，并研究了稀土元素对钎料组织、润湿性、可靠性等方面的影响。最后发现向钎料中添加稀土元素后，的确对钎料组织细化，性能改善起到了不小的作用，特别是在润湿性方面^[6]，稀土元素的添加会降低液态钎料和母材之间的界面张力，因此稀土元素对钎料的润湿性的提升作用巨大。稀土元素的添加对钎料组织的影响存在一个临界值，以这一临界值为限，超过了它，稀土对钎料组织就容易出现负面影响^[6]。稀土元素在钎料凝固过程中，会形成细小的稀土相，钎料中其他化合物如Cu₆Sn₅、Ag₃Sn等便依附稀土相非均匀形核并长大，这些晶体相互之间抑制长大，从而得到细化晶粒的结果。但过多的稀土元素会使钎料中组织反而粗大，出现大块的稀土相，影响接头性能。稀土元素的添加能从多方面改善钎料性能，但也存在一个目前难以克服的缺陷，那就是稀土相的表面会生长出锡须，这对于稀土锡钎料的应用很有可能会产生不小的阻碍。因为锡钎料主要应用于电子元件上，而电子元件上的焊点都比较接近，锡须的存在很容易连通两个焊点从而使整个电路板失效。对稀土元素的添加量与锡须的关系的研究将会是稀土锡钎料的一大研究方向。

铝基钎料主要为Al-Si系，其具有流动性好，润湿性优良，钎焊的接头有良好的加工性和抗腐蚀性等优点，但当其钎焊一些低熔点的铝合金时，比较容易出现母材晶粒粗大，溶蚀缺陷等问题^[7]。因此在保证原有性能基本不受影响的情况下，尽量地降低钎料熔点是一个重大研究方向。王艳等人^[7]利用正交实验的方法去探寻Al-Si-Cu-Mg系钎料中Si、Cu、Mg的含量对钎料性能的影响，得出了各种元素的含量与晶粒粗细，硬度大小，熔点高低之间的关系。随着铜和硅元素的增加，晶粒逐渐变得细小；随着铜硅元素增加，硬度会随之增加，同时与镁元素之间呈现出随镁元素增加而先增加后减小的趋势；熔点随各元素含量增加而降低。

银钎料性能优越，应用相当广泛，在不锈钢的钎焊中表现相当不错。银元素对钎料性能的提升有着不小的帮助，王禾等人^[8]对银元素对于各种钎料性能影响做了一个综合性的研究，他们的结果表明银元素对于改善钎料的熔化温度、润湿性、力学性能和组织结构等方面性能都具有不错的效果，特别是对于银基硬钎料，钎料的润湿性能往往是随着银含量的增加而逐步提高的。但是银元素的昂贵使得在钎料中大量应用银会大幅度的提高生产成本，因此也有许多学者在研究低银钎料。低银钎料中研究较多的一种是Sn-Ag-Cu系钎料（SAC钎料），其力学性能焊接性能良好，同时成本在业界接受范围内而应用广泛。但这种钎料还是有较多的缺陷，它有相对来说比较高的液相线温度，这就会导致界面反应变得剧烈，从而会产生较多的界面间化合物，除此之外β-Sn相形核时过冷度比较大，这会使得合金凝固时处于两相区中的时间延长，导致室温下组织粗大^[9]。这些都是有待解决的问题，对于SAC钎料性能的改善可以通过加入添加物的形式来实现，添加物可以大致分为稀土类和非稀土类元素。Naoyuki Hamada等人^[10]尝试通过向钎料中添加Zn元素的方式来改善钎料性能，并取得了一定的成功。他们研究了SAC钎料在热循环中的性能变化，通过加入少量的锌元素降低了钎料在热循环中发生开裂的概率，同时一定程度上抑制了界面间化合物层在热循环中的过度生长，改善了钎料性能。Z.H. Li等人^[11]研究了CeO₂颗粒的含量对SAC钎料中的Sn-0.3Ag-0.7Cu-xCeO₂性能的影响。他们发现加入CeO₂颗粒可以有效细化β-Sn相和共晶相Cu₆Sn₅的晶粒尺寸并推测其原理与非均匀形核类似，CeO₂颗粒的加入相当于提供了一个形核的核心，提高了形核率从而使得晶粒细化，但加入的量过多会使得CeO₂团聚而降低细化效果。

银钎料的使用性能都相当不错，其中含镉元素的银钎料不仅价格不高而且性能好，性价比方面相当优秀，因此在中国零几年的时候应用相当之广，含镉银钎料使用量约为银钎料总量的16%~18%。但是，含镉银钎料对人体危害巨大且影响时间久，因此银钎料的一个主要研究方向就是无镉银钎料的研究。对无镉银钎料研究主要是为了代替含镉银钎料，因此必须在保证其性能与含镉银钎料相差不大的情况下尽量的降低成本，否则就毫无意义。对无镉银钎料的研究主要还是以Ag-Cu-Zn合金作为基体，向其中添加各种元素来改善性能^[12]。

添加元素以Sn、In、Ni、Ga为主，这几种元素作为添加物各有优点，基本都能提高钎料的润湿性，这也是这些元素能代替镉元素的前提，但是这些元素同样有缺点。Sn作添加物时会使钎料的加工性很差并且往往需要提高Ag元素的含量来改善其对材料韧性的降低；In作添加物时性能相当优异，但是In的价格高昂，溶解度低，由于这些因素的制约，使它只能作为微量元素添加；Ni做添加物时的确可以在一些领域代替镉元素，但是应用领域还是不如含镉钎料广，难以的到广泛的应用，只能作为备选方案之一；Ga可以说是最为理想的替代元素了，它的综合性能与含镉钎料相差无几，甚至还隐隐超越，即使在价格方面，含镓钎料会高于含镉钎料^[1]，在这几种可选替代元素中，Ga无疑是最为可行的一种，它必将是未来的研究重点。

钎料种类繁多，各种钎料组成不同，特性不同，适用的领域也各不相同。铜基、银基钎料综合性能优良，润湿性好，常用于钎焊铜合金、碳钢、不锈钢、硬质合金等；铝基钎料主要应用于钎焊铝及其合金；锡基钎料由于其熔点较低，工作环境会受到比较大的限制，难以在高温环境下保持稳定的性能，更多的还是应用在电路板的钎焊中。虽然各种钎料的研究各有千秋，但总的研究方向还是绿色环保，未来以无毒无害无污染的钎料代替那些含有重金属的有害钎料是大势所趋的。

1.2.2 其他钎焊性能影响因素的研究

对钎焊组织性能能起决定性的影响的因素除了钎料外还有钎焊时间和钎焊温度，国内外对于这方面的研究并不多，但也是有一些的。钎焊温度主要由母材和钎料来决定，而钎焊时间通常没有一个固定的标准，一般的操作中由工人长时间的经验来确定，机械化生产则需要提前做实验，以实验结果来确定。钎焊完成后，在对接头进行一定程度的保温或者使接头随炉冷却，有利于促进钎料以及基体材料之间的元素扩散，以使钎焊组织成分更均匀，提高钎焊质量^[13]。所以有时候工厂为了降低成本，会稍微缩短钎焊时间，采用保温处理的方式或者随炉冷却来补足钎焊时间的不足带来的不利影响。

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